セキュリティ対策
セキュリティ
バッファオーバーフロー
クラッカーがサーバを攻撃する場合、サーバ上のプログラムの脆弱性を利用する。
サーバプログラムの脆弱性を利用する最も典型的な攻撃方法には、バッファオーバーフローがある。
こういった問題が含まれるアプリケーションは危険であり、こういった脆弱性が見つかったらプログラムの更新が重要である。
広く利用されているソフトウェアでも日々脆弱性が見つかる。(JVNなどのサイトでは脆弱性情報を収集・公開してくれている)
マルウェア
ウィルスとは、パソコン利用者の上で動く、感染能力のある悪意のあるプログラム。機械語で書かれたものや、オフィスソフトのマクロ機能で動くものもある。パソコン内の情報を利用して、ウィルス付きメールを自動的に送ることが多い。(メールソフトを使うなど、人の操作が必要なもの)
ウィルスは元々、愉快犯によるものが一般的であったが、感染したパソコンのファイルを暗号化し、暗号化を復元するために、ネットバンキングへのお金の振り込みを要求(身代金=ransom)するようなランサムウェアが増えている。
ウォームとは、脆弱性のあるネットワークプログラムに、バッファオーバーフローを引き起こすようなデータを送りつけて、ウィルスを送りつけたり、そのコンピュータを踏み台にしてネットワークを利用した攻撃をさらに行うもの。(ネットワークを介して悪意のあるプログラムを起動させるもの)
通常、インターネットからの攻撃を防ぐために、各組織ではFireWall(後述)を設置している。一方、FireWallの内側では、防御されていることから内部のコンピュータからの攻撃に甘く、無防備であることが多い。そこで、FireWall の内側のコンピュータに、メールなどの添付ファイルでマルウェアを送付・感染させることで、FireWall内で被害が拡大することもある。
このような、FireWall 内部での感染・被害拡大を狙ったマルウェアは、トロイの木馬型と呼ばれる。
ネットワークを介した攻撃では、攻撃対象のコンピュータを乱数で得られたIPアドレスや、そのアドレスを1つづつ増やしながら攻撃を行うことが多い。こういった攻撃は絨毯攻撃と呼ぶ。
ボットとはロボットを略した単語で、ウォームの中で「外部からの命令で動くもの」を指すことが多い。マルウェアのボットの中には感染しても表面上は何もせず、クラッカーの動かすインターネットの掲示板などを監視し、そこに書かれた命令を見て spam 送信や、DoS攻撃を行うものがある。
DoS攻撃(Denial of Service attack) – サーバなどに大量のデータを送りつけたりすることで、サーバがその処理に手間取り、他の利用者のサービスに悪影響を引き起こさせる攻撃。ボットからのDoS攻撃は、インターネットの様々なIPアドレスから攻撃を受けるためFireWallで防ぐことも困難である。分散DoS攻撃(Distributed DoS Attack)
最近では、ウィルスやウォームの区別が難しいため、マルウェアと呼ぶ。
ファイアウォール
サーバで動かしているプログラムにバッファオーバーフローのような不備が残っていて、全世界のどこからでもこういった不備があるプログラムに簡単に接続できたとしたら、極めて危険である。
サーバで動くプログラムは、接続するためのポート番号が決まっているので、相手のコンピュータのIPアドレスが分かったら攻撃を仕掛けてくるかもしれない。
FireWall は、これらの接続をできなくするための方法で、例えば学内のWebサーバへの攻撃を防ぎたいのなら、ルータで「宛先ポート番号が80のパケットは廃棄」といった設定をすればよい。また、危険な攻撃を加えてくるコンピュータのIPアドレスがわかっている場合は、「送信元IPアドレスXX.XX.XX.XXのパケットは廃棄」という設定をすればよい。こういった、ポート番号やIPアドレスを見てパケットを遮断するルータは、FireWall(防火壁)と呼ばれる。
よくある設定であれば、ポート番号23(telnet),137,139(Windows ファイル共有),513(リモートデスクトップ)を禁止など(拒否リスト型/ブラックリスト型)、基本は全面禁止だけどポート番号22(ssh)は許可(許可リスト型/ホワイトリスト型)など。
セキュリティ対策
- OSの更新・インストールアプリケーションの更新
バッファオーバーフローのような脆弱性が無いようにソフトウェアを更新することが重要。
Windows で、インストールされているソフトの更新では、winget が便利!!
- 不審なメールは開かない
添付ファイルにマルウェアがしかけられている可能性。リンクや画像ファイルを開くと、実際に使われているメールアドレスとして迷惑メールが増える可能性がある。 - 危険なWebサイトをアクセスしない
OSやブラウザの脆弱性から、マルウェア被害の可能性。 - パソコンで不要なサービスを動かさない
ファイル共有や、リモート接続のサーバを不用意に動かさない。 - ウィルス対策ソフトをインストール＆更新
ウィルス対策ソフトは、新しく発生したマルウェアの命令などのパターンを保存しておき、同じパターンのものをマルウェアとして判定する。- マルウェアは日々新しいものが作られるため、ウィルス対策ソフトのメーカーから、常に新しいマルウェアのパターンをダウンロード＆更新が重要。
- OSの脆弱性が見つかった場合、ウィルス対策ソフトのメーカーがマルウェアパターンを登録する前にマルウェアが届く場合がある。ゼロディ攻撃
- 特定の企業を攻撃する場合は、その企業専用のウィルスを作る場合もある。このためマルウェアパターンが無いため、ウィルス感染の可能性がある。標的型攻撃
- 最近では、ブラウザによるWebアクセスからの感染を防ぐために危険なURLへのアクセスを監視したり、危険なIPアドレス・ポート番号へのアクセスを監視する機能も含まれている。パーソナルファイアウォール機能
- このパソコンは重要な情報が入っていないから、ウィルスに感染しても放置するのは危険。他のコンピュータを攻撃する踏み台、DoS攻撃のボット、トロイの木馬となって危険の元となる。
一般的に、Apple社のiPhone iOS では、ウィルス対策ソフトは不要である。これは、App Store でアプリを公開するためには、プログラムのソースコードを提出した上での審査があり、デバイスも、App Store 以外からのアプリをインストールできないため、マルウェアのインストールがほぼ不可能なためである。ただし、欧州連合（EU）では 、EU域内のデジタル市場の公正性を確保し競争力を高めるためのデジタル市場法(DMA)によりに、App Store 以外からのソフトウェアダウンロードが可能。
一方、Google 社の Android は、アプリの審査が甘く、Google Play アプリ以外からのソフトのインストールも可能であり、ウィルス対策ソフトが必要である。
理解度確認
- Formsによる理解度確認テスト
- 標的型攻撃メールがウィルス対策ソフトでは防ぐことが難しい理由を述べよ。
- ファイアウォールでは、どういった処理を行うのか説明せよ。
暗号化とパスワード
前回授業で説明の足りなかったクラウドの形態とパスワード対策などの説明の後、公開鍵暗号などの説明予定。
暗号化
有線LANで1本のケーブルを共有したり無線でデータをやりとりする場合、通信の盗聴が行われると危険である。
前回の授業で紹介したように、簡単な置換式暗号などでは暗号の解読ができてしまう。
暗号化アルゴリズム
1980年頃には DES(Data Encryption Standard) がアメリカでの標準的な暗号化として使われていたが、コンピュータの性能があがると共に解読される危険性が高まってきた。そこで2000年頃にはAES(Advanced Encryption Standard) が使われるようになった。どちらも共通鍵を用いてデータをブロック（固定長のデータ）単位で暗号化する共通鍵ブロック暗号方式であり、暗号の鍵の長いものは暗号解読が困難となっている。
1980年頃に開発された RSA 暗号(開発者の名前より) は、巨大な数字の素因数分解が困難なことを利用した、公開鍵暗号方式の１つである。
最近、量子コンピュータを用いた暗号解析が話題となっている。量子力学の原理を計算に応用したコンピュータで、スーパーコンピュータで1万年かかる暗号解読のような処理が200秒で終わってしまうかもしれないと言われている。
公開鍵暗号方式とは…
以前に使われていた暗号化の方式は、暗号化の鍵と復号化の鍵に同じものを用いる共通鍵方式であった。
しかし、この鍵をどうやって相手に渡すか…が問題となっていた。(鍵を相手に渡す瞬間のデータを盗聴されると危険)
このため、最近では公開鍵暗号方式が中心となっている。この方式は「暗号化するため専用の公開鍵」と、「暗号化を復号するための秘密鍵」をペアにして用いる。公開鍵は、暗号化するため専用なので、この鍵が他の人に見られても、暗号を復号することはできない。
公開鍵だけでは成り済ました別人と通信してしまう可能性[1]がある。そこで通信相手が本物かどうかを、認証局とよばれる第三者機関によって証明書で確認する。HTTPを暗号化したHTTPSでは、SSL証明書と呼ばれる。最近のブラウザでは、URLの左側の鍵マーク🔒からSSL証明書を確認することができる。
[1] DNSサーバの脆弱性を利用して、間違ったIPアドレスを教えさせる DNSポイズニング が行われると、利用者を間違ったサーバに接続させることが可能。
パスワード解読方法
ログインなどで使われるパスワードは、どのように破られるのだろうか？
- ブルートフォース攻撃：単純に全ての文字を試す方式。文字の組み合わせ問題なので、パスワード文字列長をNとした場合、数字だけ(10N)とか英字だけ(26N)といった組み合わせでは、短時間に解読されてしまう。数字,大文字,小文字,記号などを交えたパスワードが理想。
- 英単語辞書を用いた辞書攻撃：パスワードが長い場合、文字列の全ての組み合わせを試すには長い時間が必要となる。しかし、パスワードはユーザが記憶して使うことから覚えやすい単語が使われる。このため英単語辞書の文字を組み合わせることで、解読時間を短くできる場合がある。
- 漏えいパスワードによる辞書攻撃：サーバへのリモート接続などができてしまった場合、パスワード情報が盗まれる場合がある。この時、別なサイトに同じパスワードを使っていると、その漏えいしたパスワードで別のサイトも接続ができてしまう。これらのことから、同じパスワードを使いまわすことは避けるべきである。
- ソーシャル攻撃：パスワードには、簡単に覚えられるように自宅の電話番号、誕生日、家族の名前といったものを使う人が多い。このため、SNS で相手に友達登録をしてもうことで、こういった情報を手に入れ、パスワードを破る方法。最近の有名人の個人情報漏洩はこの手の攻撃が多い。
ソーシャル攻撃は、”元クラッカー” ケビン・ミトニックが有名
- パスワードスプレー攻撃：login 画面などにブルートフォース攻撃を加えて簡単にパスワードが破られるのは問題となる。このため、短時間に何度も login 操作をできないように、数回のパスワード入力に失敗すると一定時間 login ができなくなるような対策が取られる。しかし、プログラムを使ってブルートフォース攻撃をするのであれば、攻撃間隔を空ければいい。攻撃者は、その代わりにネットワークの別のコンピュータでブルートフォース攻撃をすればいい。時間当たりの攻撃回数が少ないため、通常ユーザのパスワード間違いと区別ができないので、気づかないうちにパスワード破りに成功するかもしれない。このため、長期間パスワードを変更しないユーザは、不正利用被害が発生する可能性がある。
攻撃が難しいパスワードへ
先に述べたような、login に使うパスワードなどは、ブルートフォース攻撃をうけると解読は時間の問題となる。これらの対策として毎回違う鍵(パスワード)を使えばいい。
- ワンタイムパスワード：使い捨てのパスワードをあらかじめ沢山作っておき、接続の度に次のパスワードを用いる方式。あるいは、時間から特殊な計算方法で生成されるパスワード。時間と共に変化するのでその度毎に違うパスワードとなる。毎回違うパスワードを入力するため、パスワード表を常に持ち歩いたり、入力が面倒なので数字だけを使うことが多く、この方法だけでは使いにくい。(次週に多要素認証などの解説も行う)
多要素認証
パスワードはブルートフォース攻撃をうければ、いつかはパスワードが破られる危険性がある。こういった対策で最も重要な方法が、多要素認証(2段階認証)である。
この方式では、通常のパスワード入力の後に、以下の様な方式でワンタイムパスワードを入力することでログインが可能となる。
- 携帯電話にテキストメッセージ(SMS)でワンタイムパスワードを送る。
- かかってきた電話の機械音声のワンタイムパスワードを伝える。
- 時間で変化するワンタイムパスワード生成アプリの数字を入力する。
- メールで送られてきたワンタイムパスワードを含んだURLにアクセスする。
- 認証画面に表示されたQRコードのURLにアクセスする。
SMSやワンタイムパスワードアプリは、携帯電話などを常に持ち歩いていることが本人確認となっている。このような方式では、携帯電話などを失くすとシステムが使えなくなるので、バックアップコード(非常時用のパスワード)の保存や、login先とは別のメールアドレスを登録してあることが重要となる。
CAPTCHA
最近では、フリーで取得できるメールアドレスをプログラムで動くロボットで自動生成し、そのアカウントを使ってspamを送るなどの手口が問題となっている。このため、接続してきた相手が本当に人間か判定することがある。判定には、読みづらく加工された英字を入力させたり、パズルを解かせるといった方法が使われる。
元々は、読みづらい文字はコンピュータでは画像解析しづらいことから、CAPTCHA が使われるが、最近では機械学習によって解析ができるようになってきたので使われる機会も減ってきている。
セキュリティキー
SMSやメールを使ったワンタイムパスワードによる多要素認証も、間にネットワークを挟むと多要素認証では問題となる。そこで、もっと複雑な暗号で多要素認証を行うために、セキュリティキーが使われる。
多要素認証が必要になると、パソコンにセキュリティキーを差し込むことで認証が行われる。現在では FIDO(Fast IDentity Online)や FIDO2 といった規格のものが普及している。
パスキー
セキュリティキーなどは専用のデバイスを持つ必要があることから、インターネットを介した認証では最近はパスキーが普及してきた。パスキー認証では、公開鍵暗号方式を用いた署名がユーザー側で行われ、秘密鍵をスマートフォンやパソコンの中に保存し、利用するWebサイトには公開鍵を登録しておく。ログイン時には、公開鍵と秘密鍵を用いた検証がウェブサイトやアプリのサーバー側で行われることで認証が完了する。署名時は指紋認証、顔認証、またはデバイスの画面ロック解除でユーザーの当人認証を行う。(Wikipedia)
ハッキング
インターネットの用語でハッカー(Hacker)は、コンピュータを使って悪いことをする人という意味でよく使われている。しかし元々は「主にコンピュータや電気回路一般について常人より深く高度な技術的知識を持ち、その知識を利用して技術的な課題をクリアする人々のこと」(Wikipedia引用)という意味で使われていた。このため本来は「優秀なエンジニアへの最大級の誉め言葉」として使われており、ハッカー以上の技術者を ウィザード/wizard や グル/guru と呼称することもある。
しかしながら一部のハッカーの中で、その技術を悪用する人も出てきたことから、インターネットで悪いことをする人という意味で使われることも増えてきた。そこで、悪いことをする人は別な呼び方をしようということで、攻撃を加えるひとはクラッカーと呼ぶことが多い。最近では、正義のためのハッカー = ホワイト・ハッカー、悪いハッカー = ブラック・ハッカー という表現も使われるが、黒人差別主義につながる用語ということで、正義のためのハッカーには最近はエシカル・ハッカー(高い倫理観と道徳心を兼ね備えている高い技術を持ったハッカー)という言葉を使う。
理解度確認
- Formsによる理解度確認テスト
- 標的型攻撃メールがウィルス対策ソフトでは防ぐことが難しい理由を述べよ。
- ファイアウォールでは、どういった処理を行うのか説明せよ。
リモート接続と暗号化
前回の講義の、サーチエンジンの説明の後、リモート接続と暗号化の説明を行う。
リモート接続
サーバなどの管理をしていると、インターネットの先にあるコンピュータを操作したい場合が多い。こういった場合には、リモート接続機能を用いる。
リモート接続による相手側のコンピュータを操作する場合、相手側のコンピュータには リモート接続 用のサーバプログラムを起動しておく。こういったリモート接続を利用するのは、”unix” の利用者が多いが、”unix” では、サーバ のプログラムは、一般的にデーモン(daemon/守護神)と呼ばれる。[daemonとdemonの違い]
telnet と rlogin
telnet は、最も基本的なリモート接続の方法であり、TCP の 23 番ポートを使う。telnetのサーバ(telnetd – telnet daemon)は、送られてくるタイプされた文字を unix の shell (キーボードでの命令を実行するプログラム) に渡し、shell の実行結果の文字を接続元に送り返す。
telnet のクライアントの基本的動作は、タイプされた文字を送って、受信した文字データを表示するだけなので、通信の動作の確認にもよく使われる。
例えば、Webサーバは、80番ポートに”GET /ページの場所”を送ると、HTMLデータが受信できる。この手順を telnet で行う場合は、以下の様に行う。
rlogin は、TCP の 513 番ポートを使うリモート接続用のソフトで、サーバで rlogind を起動しておく。unix で rlogin クライアントを使うと、リモート側で命令を実行したりファイルをコピーすることができる。
こういったリモート接続ができると、ネットワークの向こう側のコンピュータを自由に操作できる一方で、login のパスワードが破られるとコンピュータを悪用されたり情報を盗まれる可能性がある。
特に、telnet , rlogin では、通信の内容が暗号化されないため、パケット盗聴(後述)されると、サーバを悪用されてしまう。このため telnet や rlogin による遠隔処理は、使うべきではない。
どうしても使うのであれば、ルータや firewall で、ポート番号 23 , 513 などは、遮断し接続するネットワークを限定するのが一般的である。
ssh(secure shell)
暗号化されない rlogin の通信を暗号化により安全に実行できるようにしたものが、ssh (secure shell) である。
ssh は、通常では TCP の 22 番ポートを使う。しかし、暗号化されていたとしてもパスワード破りなどの危険性があるため、ポート番号を変更したり、特定のコンピュータに対してのみ接続許可を与え、安全対策を行う。
リモートデスクトップ
Windows では、コンピュータの操作では、マウス操作が中心(GUI: Graphical User Interface)となる。これに比べ、telnet,rlogin,ssh などの方法では、キーボードによる操作が中心(CUI: Character User Interface)であり、初心者には難しい。遠隔地のコンピュータの操作においてマウス操作などが必要であれば、リモートデスクトップ(remote desktop)が用いられる。
remote desktop では、サーバのディスプレイ画面の情報をクライアントに送り、クライアントの操作(キーボード入力やマウス操作)がサーバに送られ、サーバのコンピュータを自由に操作ができる。
VPN
VPN（Virtual Private Network）とは、物理的に離れた場所にある拠点間を暗号化通信をつかって、仮想的に同じネットワーク内で繋がっているような安全なデータ通信を作るもの。「仮想プライベート・ネットワーク」と呼ばれ、ルータにVPN機能が内蔵されていたり、パソコンではVPNに接続するためのソフトウェアが内蔵されている。VPNで利用されるプロトコルには、SSH/TLS（SSL）/IPsec/PPTP/L2TP/L2F/MPLSなどの種類がある。
[Wikipediaより引用]
バックドア
ssh, リモートデスクトップ, VPN といったリモート接続は、遠隔地のコンピュータを自由に操作できることから、様々なコンピュータを管理している場合、広く使われている。しかしながら、クラッキングなどの悪用の危険があるため、sshサーバ、リモートデスクトップサーバなどのソフトは、通常利用者は起動しないこと。
クラッキングなどを行う場合、ウィルスを使ってリモート接続のためのソフトを動かされると、相手のコンピュータを自由に使える。このような、本来の使い方ではない侵入経路は、バックドアなどと呼ばれる。
クラウド・コンピュータ
インターネットのサービスを構築する時には、自分のコンピュータをインターネットからアクセスさせる(オンプレミス)のではなく、企業などがリモート接続機能を使って、貸し出し用に提供されているコンピュータを利用する場合も多い。こういうコンピュータを利用してサービスを提供する場合、利用者にしてみればどこにあるかよくわからないコンピュータ資源を使うことから、クラウド・コンピューティングと呼ばれる。有名なクラウド サービスとしては、Amazon AWS, Microsoft Azure, Google Cloud がある。
[Wikipediaより引用]
クラウドコンピュータを借りる場合、以下のような形態がある。
- SaaS (Software as a Service) : リモートサーバ上でアプリケーションを事業者側が用意してあるものを借りる
- PaaS (Platform as a Service) : 事業者側が準備した Web サーバなどを借りて、サービス提供者がソフトウェアなどを準備してサービスを提供する
- IaaS (Infrastucture as a Service) : 事業者側がコンピュータやネットワークなどの提供する環境(インフラ)を借りて、その上に利用者が OS, Webサーバ(ミドルウェア), アプリケーションを準備してサービスを提供する
| 形態 | コンピュータ, ネットワーク |
OS (Linux,Windows…) |
ミドルウェア (Web,DB…) |
アプリケーション | ユーザ |
|---|---|---|---|---|---|
| SaaS | クラウド事業者が提供 | ||||
| PaaS | クラウド事業者が提供 | サービス提供者が準備 | |||
| IaaS | クラウド事業者が提供 | サービス提供者が準備 | |||
暗号化
Ethernet では1本の通信線を共有したり、WiFiのような無線通信では、通信データの盗聴が簡単にできてしまう。クラッカーは、通信データの中から”login, password” といった文字を検索し、その近辺の文字を探すことでパスワードを盗み出す。
このようなことを防ぐために通信データの暗号化は重要な方法である。
暗号化アルゴリズム
暗号化の最も原始的な方法が、置換式 と呼ばれる方法で、特定の文字を別な文字に変更する。rot13は、A→N,B→Oに置き換える暗号。コナン・ドイル原作のシャーロック・ホームズに出てくる踊る人形などもこれに相当する。これらの方法では、アルファベットの文字の出現頻度から元の文を想像することで解読されてしまう。
エニグマ(Enigma)は、第2次世界大戦でナチス・ドイツが用いたロータ式暗号機であり、置換式の解読方法が不可能であった。しかし、イギリスのアラン・チューリングが電気式の解読器(ボンブ)を開発することで暗号解読が可能となった。この解読器が現在のコンピュータの原型となっている。
チューリングによる暗号解読は、映画「イミテーションゲーム」を参照。
最近では、様々な暗号化アルゴリズムが開発されており、古くは “DES, AES“といったアルゴリズムが使われていたが、コンピュータの性能の向上と共に、解読に必要な時間が短くなったことから、RSA といった新しい暗号化方式が考えられ、さらに暗号化の鍵を長くすることで解読に要する時間を長くするようになっている。
(暗号化アルゴリズムについては、次週の講義でもう少し詳しく解説する。)
パスワード解読方法
ログインなどで使われるパスワードは、どのように破られるのだろうか？
- ブルートフォース攻撃：単純に全ての文字を試す方式。文字の組み合わせ問題なので、パスワード文字列長をNとした場合、数字だけ(10N)とか英字だけ(26N)といった組み合わせでは、短時間に解読されてしまう。数字,大文字,小文字,記号などを交えたパスワードが理想。
- 英単語辞書を用いた辞書攻撃：パスワードが長い場合、文字列の全ての組み合わせを試すには長い時間が必要となる。しかし、パスワードはユーザが記憶して使うことから覚えやすい単語が使われる。このため英単語辞書の文字を組み合わせることで、解読時間を短くできる場合がある。
- 漏えいパスワードによる辞書攻撃：サーバへのリモート接続などができてしまった場合、パスワード情報が盗まれる場合がある。この時、別なサイトに同じパスワードを使っていると、その漏えいしたパスワードで別のサイトも接続ができてしまう。これらのことから、同じパスワードを使いまわすことは避けるべきである。
- ソーシャル攻撃：パスワードには、簡単に覚えられるように自宅の電話番号、誕生日、家族の名前といったものを使う人が多い。このため、SNS で相手に友達登録をしてもうことで、こういった情報を手に入れ、パスワードを破る方法。最近の有名人の個人情報漏洩はこの手の攻撃が多い。
ソーシャル攻撃は、”元クラッカー” ケビン・ミトニックが有名
攻撃が難しい暗号化へ
先に述べたような、login に使うパスワードなどは、ブルートフォース攻撃をうけると解読は時間の問題となる。これらの対策として毎回違う鍵(パスワード)を使えばいい。
-
- 暗号表：置換式で読み取られるのを防ぐために、置換する文字の表を沢山作っておき、別の方法でその度毎に置換表を変更する
- ワンタイムパスワード：使い捨てのパスワードをあらかじめ沢山作っておき、接続の度に次のパスワードを用いる方式。あるいは、時間から特殊な計算方法で生成されるパスワード。時間と共に変化するのでその度毎に違うパスワードとなる。毎回違うパスワードを入力するため、パスワード表を常に持ち歩いたり、入力が面倒なので数字だけを使うことが多く、この方法だけでは使いにくい。(次週に多要素認証などの解説も行う)
理解度確認
- ファイアウォールの仕組みを説明せよ。
- つぎの利用形態は、PaaS, SaaS, IaaS のどれにあたるか？
- Microsoft が準備した Teams を使って、授業アンケートを取る。
- 福井高専は、Microsoft Azure 環境の上に、Linux, Webサーバ, PHP, MySQL, WordPress をインストールして HP を運営。
WWWとhttpとサーチエンジン
最初に、前回講義で説明が不十分だったメールの機能について説明のあと、Web の説明を行う。
WWWとhttp
WWWとは、ティム・バーナーズ=リーによって作られたサービスであり、元々は研究データの論文やデータの共有のために作られた。この際のWebサーバのデータのやり取りのためのプロトコルがhttp(Hyper Text Transfer Protocol)であり、ポート番号80のTCPを用いたものであり、最近では通信を暗号化したhttps(ポート番号443)も多く使われる。
httpでは、文字データの中に画像や音声といった情報に加え、他のデータへのリンクを埋め込むことができる HTML(Hyper Text Markup Language) のデータがやりとりされる。このHTML形式のデータを表示するためのソフトは、ブラウザと呼ばれる。
URL
WWWのデータの場所を示すものが、URL(Uniformed Resource Locator)であるが、最近ではインターネットが複雑化しLocator という表現が難しいため、URI(Uniformed Resource Identifier)と呼ぶようになってきた。
URLは基本的に、スキーマ://コンピュータ名/サーバ内ファイル位置 といった文字で構成される。URL は、HTTP だけでなく、インターネットの情報の場所を記述するために使われており、httpやhttps以外にも使う。
最近のブラウザは、スキーマ欄の”https://”やコンピュータ名の先頭の”www.”を省略することができる。また http は暗号通信を使わず危険であることから、警告メッセージが表示されたり、可能であれば https の通信に切り替えを試みられる。
http (Hyper Text Transfer Protocol) の流れ
httpのサーバ(Webサーバ)とブラウザでは、以下のような手順で処理が行われる。例えば http://www.ei.fukui-nct.ac.jp/~t-saitoh/index.html のページが表示されるまでを考えると、
- ブラウザのURL欄に、目的サイトのURLを入力。
- 基本的には、スキーマ欄に記載されたプロトコル(http)名から、ポート番号と通信方法(http)を決める。一般的な http 通信では、ポート番号には 80 を使う。
- コンピュータ名部分(www.ei.fukui-nct.ac.jp)を DNS に問合せして、得られたIPアドレスのコンピュータに接続。
- httpの最も簡単な GET メソッドでは、Webサーバに、サーバ内のファイル位置(/~t-saitoh/index.html)を伝えると、Webサーバは応答ヘッダ情報と応答本文の指定された場所のファイルの内容を返送する。(下図参照)
- HTML形式のデータが指定された場合、ブラウザはその HTML をどの様に表示するか判断しながら表示する。
このような予め保存されているWebページを返送する場合は静的ページと呼ばれる。サーバのデータベースなどを参照しながらページ内容を返送する場合は、動的ページと呼ばれ、Webサーバ内部でプログラムを動作させ、その結果のデータをブラウザに返す。
動的ページを生成するためのプログラム言語としては、様々な方法がある。(バックエンド言語)
- 言語 Perl による CGI(Common Gateway Interface)
- Webに特化した言語PHP
- サーバで 言語 Java を使ってページデータを生成(Apache Tomcat)
- サーバで 言語 JavaScript を使ってページデータを生成(Node.js)
また、最近のブラウザでは JavaScript を使って、Webページに表示される内容を動的に変化させることが多い。(フロントエンド)
https
httpでは、通信が平文で行われるため、同じサブネット内であれば通信内容を盗み見られる可能性がある。この通信を暗号化しながら行われるものが https である。ポート番号には一般的に 443 が使われる。暗号化通信は次週以降に説明を行う。
サーチエンジン
インターネットでは、大量のWebページが出現してきたため、自分の目的に応じてWebページを探す機能が必要となってきた。このような目的のWebページを検索してくれるシステムは、サーチエンジンと呼ばれる。
ディレクトリ型
最初に現れた検索システム(1994年)は、ページ作者が自分のページのURLと内容となるキーワードをサーチエンジンに登録しておき、内容のカテゴリー別に、ページの紹介文章が表示されるディレクトリ型であった。(初期のYahoo)
しかし、登録するキーワード以外の文字で探そうとすると、情報を見つけることができない。
ロボット型
これらの問題を解決すべく登場したのが、Google のようなロボット型サーチエンジン(1997年)である。
ロボット型の検索システムでは、クローラーとかロボット(あるいはボット)とか呼ばれるプログラムを使い、Webページの内容をダウンロードし、そこに記載された文字を使ってURLのデータベースを作成する。
- 与えられた URL の先のページをダウンロードする。
- ページ内の文字を単語に切り分けして、それぞれの単語とURLを関連付けてデータベースに保存
- ページ内にリンクが含まれていたら、そのURLで、この作業を再帰的に繰り返す。
サーチエンジンで検索が行われると、クローラーの処理で作られたデータベースに問い合わせ、見つかったURLの情報を表示する。
Googleなどでは、多くのユーザが探したいページを提供するために、たくさん使われている単語を重要語としたり、たくさんのページからリンクされているページを表示順上位に表示するような工夫をしている。
ページランキングを上げるためのWebページの工夫をすることを、SEO (Search Engine Optimization) という。しかし逆にページランキングを不当に上げようと特殊なテクニックのページ作りをする人もいるが、最近では不当なページ作りは逆にランキングが落とされるようになっている。
理解度確認
- URLが与えられてページが見れるまでに行われることを説明せよ。
- サーチエンジンのディレクトリ型とロボット型の違いを説明せよ。
ポート番号とファイアウォールとメール
ポート番号とソケット
サーバとなるコンピュータでは、1台のコンピュータで様々なサービスを提供することから、サービスを区別する必要がある。このためにポート番号が使われる。1台毎のコンピュータに割り当てられたIPアドレスを電話番号に例えるなら、ポート番号は内線電話番号に例えることができる。
サーバと通信する場合、サービスを提供するプログラムに応じて標準的なポート番号が決められている。サーバに届いたパケットは、ポート番号に応じてサービスプログラムを起動する。以下の表によく使われるポート番号の一例をあげる。
| ポート番号 | プロトコル | 概要 |
| 20 | ftp | ファイル転送(データ) |
| 21 | ftp | ファイル転送(命令) |
| 22 | ssh | リモート接続(暗号対策あり) |
| 23 | telnet | リモート接続(暗号化なし) |
| 25 | smtp | 電子メール送信 |
| 465 | smtps | 電子メール送信(暗号化) |
| 53 | DNS | ドメインネームサービス |
| 80 | http | Web |
| 443 | https | Web(暗号化) |
| 110 | pop3 | メールダウンロード |
| 995 | pop3s | メールダウンロード(暗号化) |
| 143 | imap | メール閲覧 |
| 993 | imaps | メール閲覧(暗号化) |
| 137,138,139 | netbios | Windows のファイル共有 |
通信パケットには、送信元IPアドレス、送信元ポート番号、送信先IPアドレス、送信先ポート番号の情報がある。
パソコンがサーバと通信する場合は、(1)自分のIPアドレスを送信元IPアドレス、(2)その時に使われていないポート番号をランダムに選び、送信元ポート番号とする。(3)通信相手のIPアドレスと、(4)通信先のサービスのポート番号をセットして、パケットを送付する。サーバは、サービスを要求してきたクライアントの送信先ポート番号をみて、対応するサーバのプログラムが動作する。プログラムの結果を送り返す時は、送信元と送信先のIPアドレス、ポート番号を入替えてパケットを送信する。
このような、IPアドレスとポート番号でお互いにデータを送りあうデータ通信の末端という意味でソケットと呼ぶ。サーバ側は、誰からでもデータを受け入れるということでソケットを開いて待機している。クライアントは開かれたソケットに接続して情報をやり取りする。
1024未満のポート番号(ウェルノウンポート番号)は、サービスを受けとるために用途が決められているので、通常の通信プログラムでは使われない。これ以外のポート番号は、通信の送信元のポート番号として使われ、エフェメラルポート番号と呼ばれる。
ファイアウォール
ネットワークのサービスの中には、組織外に見せたくないものも多い。また、インターネットでは、悪意のあるプログラマが通信して攻撃を加えてくるかもしれない。基本的には個々のサーバのプログラムで、送信元のプログラムのIPアドレスを見て接続を拒否することもできるが、末端のサーバで設定がいい加減だと攻撃をうけてしまうかもしれない。そこで、組織全体でネットワークを守る必要がでてくる。そこでルータなどの機能で、パケットの送信相手のポート番号や、送信元のIPアドレスをみて、パケットを廃棄する場合がある。こういう、ネットワークからの攻撃を防ぐ装置は、ファイアウォール(防火壁)と呼ばれる。
データベースサーバの保護するためにファイアウォールを設置する例を示す。Webサービスを提供するためのデータベースだけど、インターネットから接続されると情報漏洩が発生するかもしれない。そこでデータベースサーバ(mysql)に接続するための3306ポートは、ファイアウォール(ルータ)で組織外からは接続させない。
Webサーバにリモート接続(ssh/22)されるのも危険なことから、この例ではルータで http(80),https(443)以外のパケットは通さないといった許可リスト方式で設定するのが一般的。
許可リスト方式と拒否リスト方式
ファイアウォールの設定では、信頼できる人だけを接続させる許可リスト方式と、怪しい人を除外する拒否リスト方式がある。
許可リスト方式は、接続していい相手のIPアドレスや、ポート番号だけをFireWallを通過させる方式。(以前はホワイトリスト方式と呼ぶことが多かった。) これとは逆に、攻撃をしてきそうな怪しいIPアドレスや、怪しいポート番号のパケットを捨てて接続させない方式は拒否リスト方式とよぶ。(以前はブラックリスト方式と呼ぶことが多かった。) 学校のサーバは、学内への攻撃を防ぐため、ポート番号については http, https など以外の受信は許可リスト方式となっている。
メールが届くまで
電子メールは、非常に迅速にメッセージを相手に届けることができ、そのメッセージを蓄積・加工・編集・転送できる。また、音声や画像といった情報も、複雑な文字情報に置き換えることで、転送できるようになっている。
メールは、利用者のコンピュータに直接届けられるわけではなく、多くの場合はメールを蓄積するメールサーバに送られる。利用者がメールを読む場合、メールサーバから自分の端末に蓄積されたメッセージを読み込み、メッセージを確認する。このメールのやり取りにおいて、メールを送る時、あるいはメールサーバ間でメールを中継するときには、SMTP(Simple Mail Transfer Protocol) が用いられる。一方、メールサーバからメールを読み出すときには、POP(Post Office Protocol) やIMAP(Internet Message Access Protocol) と呼ばれるプロトコルが用いられる。最近では、IMAPを使ったメールの読み書きをブラウザの中で実行できる WebMail が使われることが増えている。
メールが届くまでの流れは、aさんが”foo@bar.jp“に送る場合、
- aさんは、自分が加入しているメールサーバに、SMTPでメールを送る。
- メールサーバは、メールアドレスのコンピュータ名部分”bar.jp“をDNSに問合せ、そのIPアドレスを調べ、そのコンピュータにSMTPでメールを送る。※
- “bar.jp“のメールサーバは、メールアドレスのユーザ名”foo“を取り出し、各ユーザ毎にメールを保存する。
- “foo”さんは、自分宛のメールを確認するために、POPまたはIMAPで自分のメールサーバ”bar.jp”に接続し、ユーザ名,パスワードで認証して自分宛のメールを受け取る。
※上記の手順２で、相手のメールサーバに直接送れない場合は、コンピュータ名のMXレコードをDNSに問合せを行い、そこで得られたメールサーバに中継を依頼する。
$ nslookup -query=MX fukui-nct.ac.jp. Non-authoritative answer: fukui-nct.ac.jp mail exchanger = 10 fukuinct-ac-jp01c.mail.protection.outlook.com.jp
上記手順4で自分のメールを読みだす際のプロトコルで、POPは一般的に、メールサーバから自分のメール閲覧ソフトに自分宛のメールをダウンロードして削除する。このため、様々なコンピュータでメールを読む人には不便となってきた。IMAPでは、メールを読んでも、既読の目印をつけサーバに残しておく方式であり、別のコンピュータでメールを閲覧したい時にもサーバ上のメールを読むことができる。メールをフォルダに分類して保存することもできる。最近利用される Webメール では、自分が利用しているメールサーバまでは Web の機能で接続し、Webサーバとメールサーバにて IMAP を使う。
POP, IMAP, SMTPでは、暗号化されない平文が使われることから、通信内容を暗号化して通信する POPS, IMAPS, SMTPS といったプロトコルも使用される。
メールヘッダ
メールを出すときには、宛先やタイトルや本文などの情報がついている。
From: foo@bar.jp 送信元のメールアドレス To: hoge@piyo.jp 送り先のメールアドレス Cc: hogehoge@bar.jp 送信内容を確認してもらうためのコピーの送り先 Bcc: hogefuga@bar.jp 送信相手にコピーしたことが見えないように送る時 Subject: 会議の議事録 メールのタイトル Date: 2019年 1月 9日 12:34:56 メールを送った時間 本文 -- 署名
送信相手に届くメールでは、上記以外にも様々な情報がつけられる。これらの情報を見ると、迷惑メールか確認することもある程度可能となる。
Received: from 送信元 by 受信サーバ Reply-To: 返信する際の送り先 Return-Path: 送信に失敗した時に送り返す先 DKIM-Signature: メールサーバの公開鍵署名 Received-SPF: 送信元のDNS情報など
spamとの闘い
spamとは、勝手に送られてくる迷惑メールであり、昔であれば特定の商品などの宣伝メールが送られてきた。最近では、元々、SMTPでメールを送る際には、ユーザ認証が行われていなかったことから、ウィルス(マルウェア)を拡散させるために、マルウェアをダウンロードさせるWebサイトに誘導したり、メールの添付ファイルに悪意のプログラムを混入させて送り付けてくる。 spam拡散を目的としたウィルスに感染すると、そのパソコンの利用者のメール情報を盗んだり、spam拡散の送信者(spammer)からの指令によって、spamを送信する踏み台(ボットネット/spammerに操られるパソコンのネットワーク)となってしまう。
迷惑メールのspamだが、大文字のSPAMと記載するとランチョンミートの意味となる。
spamが迷惑行為を指すようになったのは、モンティパイソンのSPAMのギャグが由来。
そこで spam 対策として、利用者が身近なメールサーバにメールの配送を依頼する際(前に掲載した図の(1)の通信)には、 SMTP送信の前にPOP/IMAP接続しユーザ認証を行った時だけメールを送ることができるPOP before SMTP(or IMAP before SMTP)や、SMTP-AUTHといった方式でユーザ認証を行うようになってきた。
一方、メールサーバからメールサーバにメールを送る際(前に掲載した図の(2)の通信)では、接続してきたメールサーバが正当なメールサーバなのかを確認する送信ドメイン認証ために、SPF, DKIM,DMARC などの機能が用いられる。SPF(Sender Policy Framework)では、DNSに登録されている正当なメールサーバの情報との比較が行われる。DKIM(DomainKeys Identified Mail)では、送信側のメールサーバが公開鍵暗号(後の講義で説明)をつかったDKIM署名をメールに付け、受信側でDKIM署名を公開鍵を使って検証を行うことで、正答なメールかを判断する。DMARCは、SPFやDKIMで検証した結果、怪しいと判断されたメールの取扱いをどうすべきかを指定できる。
(最近の google mail は、SPF,DKIM,DMARCが設定されていないとメールを受け取らない。これらの対策以前は80%がspamという時代もあったが、近年は全メールのうち50%ほどがspamらしい。)
((( SPF,DKIM,DMARCに関するDNSの設定例 )))
$ nslookup -query=TXT tsaitoh.net
tsaitoh.net text = "v=spf1 +ip4:64.33.3.150 a mx -all"
### +ip4: は、このIPアドレスはメールサーバとして「正当」だよ...の意味
$ nslookup -query=TXT postfix._domainkey.tsaitoh.net
postfix._domainkey.tsaitoh.net text = "v=DKIM1; h=sha256; k=rsa; p=...公開鍵..."
### p=公開鍵 は、この公開鍵で メールについているDKIM署名が確認できたら「正当」だよ...の意味
$ nslookup -query=TXT _dmarc.tsaitoh.net
_dmarc.tsaitoh.net text = "v=DMARC1; p=quarantine; rua=mailto:report-a@tsaitoh.net; ruf=mailto:report-f@tsaitoh.net"
### p=quarantine は「SPF,DKIMの認証に失敗したら迷惑フォルダに分類していいよ」の意味
理解度確認
- メールの送信から受信までの処理を、それに使われるプロトコルを交えて説明せよ。
- Forms による理解度確認
ドメイン名とDNS
ドメイン名とDNS
インターネットでの通信では、IPプロトコルでコンピュータを指定するが、IPアドレスは無機質で覚えるのが大変であり、コンピュータに名前をつけて利用する。この際に、コンピュータの所属などが分かるようにしたものをドメイン名と呼ぶ。
例えば、電子情報工学科のドメイン名 www.ei.fukui-nct.ac.jp は、ピリオド部分で区切られ、以下のような意味を持つ。
- .jp – 国ドメイン(.uk イギリス,.ch 中国,アメリカは無し)
- .ac – 種別ドメイン(.co.jp,.com:会社,.ne.jp,net:ネットワーク系)
- fukui-nct – 組織ドメイン
- .ei. – サブドメイン(組織内が細分化されている場合)
- www. – ホスト名※
このような省略されていない、対象となるコンピュータを指定するためのドメイン名は、FQDN(Fully Qualified Domain Name)と呼ばれる。FQDNでの名前を ホスト名※ と呼ぶことも多い。
ただしアメリカでは、国ドメインを一般的に使わない※。また最近では、世界的な企業では国ドメインが意味をなさないので、アメリカ以外でも .com や .net といった、汎用トップレベルドメイン(gTLD)が使われる。様々なサービスを展開している企業では、組織種別が意味をなさないため、toyota.jp といった種別ドメインがない.jpドメイン名も増えてきた。高専機構のドメイン名 kosen-ac.jp も、”kosen-ac” が高専機構の組織ドメイン名なので注意。”-ac”は種別ドメインではない。
以下に、主要な組織ドメイン・国ドメインをあげる。
|
※はgTLD |
DNSのしくみ
DNSは、Domain Name Service であり、コンピュータ名(ドメイン名)から、IPアドレスを調べるサービスで、ポート番号53,UDPを使っている。
インターネットに接続する際には、最も身近なDNS※の情報が与えられ、ユーザがコンピュータ名を問い合わせると、身近なDNSがコンピュータのIPアドレスを返してくれる。この際に、検索結果はキャッシュとして一定期間保存される。身近なDNSがそのコンピュータ名を知らない場合は、上位のDNSに問い合わせを行い、DNSルートサーバもコンピュータ名をキャッシュしていない場合は、管理元の組織のDNSに問い合わせが行われる。このようにすることで特定のDNSサーバに問い合わせが集中しないようになっている(負荷分散)。 DNSサーバの情報は DHCP サーバからIPアドレスなどと一緒に取得することができる。
以前の説明で DHCP(IPアドレス,サブネットマスク,ゲートウェイなどのネットワーク設定のサービス)を紹介しているが、IPアドレス以外にも、DHCPはそのネットワークで使える最寄りの DNS サーバの情報を得ることができる。
DNSと正引きと逆引き
DNSの使い方としては、一般的な使い方は、ドメイン名からIPアドレスを調べる正引きが多い。ブラウザは http://www.fukui-nct.ac.jp/ というURLが与えられたら、DNSに www.fukui-nct.ac.jp を問い合わせ、104.215.53.205 の結果が得られることで、http://104.215.53.205/ のコンピュータに接続を試みる。
これとは逆に、サーバ側では接続してきた相手のコンピュータが信頼できる相手か調べたい時がある。この時には IPアドレスからドメイン名を調べる逆引きを行う。これにより、IP アドレスをきちんと管理している組織であれば、ドメイン名が分かるのでどの組織から接続されているのか確認ができる。
DNSの情報を調べるためのコマンドは、nslookup を用いる。
DNSと様々な情報
DNS では、様々な情報が取得できる。IPアドレス以外にも、メールを送ってもらうサーバのIPアドレス(MXレコード)なども取得できる。
((( 正引きの例 ))) $ nslookup www.google.com Server: 172.31.208.1 Address: 172.31.208.1#53 Non-authoritative answer: Name: www.google.com Address: 142.250.206.228 # 調べる度に異なる値が返ってくるかも Name: www.google.com Address: 2404:6800:400a:804::2004 ((( 逆引きの例 ))) $ nslookup 142.250.206.228 228.206.250.142.in-addr.arpa name = kix06s10-in-f4.1e100.net. # 正引きと逆引きが一致していない例 Authoritative answers can be found from: ((( MX レコードを調べる例 ))) $ nslookup -query=MX fukui-nct.ac.jp # MXレコード = そのドメイン宛のメールはどのコンピュータに送ればいい？ Non-authoritative answer: fukui-nct.ac.jp mail exchanger = 10 fukuinct-ac-jp01c.mail.protection.outlook.com. ((( AAAA レコードを調べる例 ))) $ nslookup -query=AAAA www.google.com # AAAAレコード = IPv6アドレスを指定した正引き Non-authoritative answer: Name: www.google.com Address: 2404:6800:400a:813::2004 ((( 正引きと逆引きの異なる例 ))) $ nslookup tsaitoh.net Name: tsaitoh.net Address: 64.33.3.150 $ nslookup 64.33.3.150 150.3.33.64.in-addr.arpa name = ttn64-33-3-150.ttn.ne.jp.
DNSとセキュリティ
DNSは、コンピュータ名とIPアドレスを対応付けるものであり、これには正引き(コンピュータ名からIPアドレスを求める)と、逆引き(IPアドレスからコンピュータ名を求める)がある。セキュリティ対策が厳しい場所では、
- 正引きを使うことで、特定の組織のドメイン名を持つコンピュータからのアクセスを許可/禁止する。(例:国ドメイン.xxからは接続拒否)
- 正引きで、コンピュータ名が登録されている所からのみ許可する。(例:組織ドメイン.fukui-nct.ac.jpからは接続許可)
- IPアドレスから逆引きして求めたコンピュータ名をさらに正引きして同じIPアドレスが求まるかを確認
といった対策を行う。
- DNSのドメイン名は、当初は最初に申請した人に割り当てられる。このため、nintendo.com といったドメイン名を、関係ない人が取得するといったトラブルがあった。(サイバースクワッティング)
- DNSを用いたクラッキングでは、ウィルスに感染させたパソコンに偽物のIPアドレスを教えることで、偽装した別コンピュータに誘導し個人情報を盗む手口がある。(DNSポイズニング/スプーフィング)
- 他にもウィルスに感染させた大量のパソコンから、同時にルートサーバに大量のDNSの問合せを送ることで、処理能力を低下させると、インターネット全体でDNS参照ができなくなる攻撃もある。(DNSルートサーバへの分散DoSアタック)
- DNSは、他のコンピュータに接続するための重要な情報だが、独裁国家などでは国にとって不都合な情報が得られるドメイン名のIPアドレスを改ざんしアクセスできないようにすることもある。このため、Google 社では 覚えやすい 8.8.8.8 という IPアドレスの DNS サーバを提供している。この 8.8.8.8 は、DNS の返答速度も速いことから、ブラウザの表示速度を高速化するために自分のPCに設定する人も多い。
- 暗号化されていない通信は、同一ネットワーク上の機器がパケット解析ソフトなどを実行すると、相手がどういうDNS参照をしているか見られてしまう。この対策として最近は DNS over HTTPS という方式も出てきている。
ドメイン名と罠
- “jcb.co” というドメイン名のリンク。クレジットカードのJCB?
“.co” はコロンビア、どうみても怪しい。(ウィルス対策ソフトが怪しいサイトとしてブロック) - 昔話 www.docomo.ne.jp にアクセスするつもりが www.docomo.co.jp とタイプミス。
アダルトサイトにつながった… - goog1e.com(lと1の違い)、аррӏе.com (ӏはキリル文字) – ホモグラフ攻撃
- メールアドレス …@gmai.com にメールを送ったら個人情報漏洩 – ドッペルゲンガードメイン
トランスポート層・TCPとUDP
前回の授業でブロードキャストなどの説明をしたことを踏まえ、DHCP について改めて説明
DHCP
前回の IP では、異なるサブネットを繋ぐ役割としての Internet Protocol (IP) について説明をした。IP での通信では、IPアドレスが必要だが、正しく接続ができるためには、(1)IPアドレス、(2)サブネットマスク、(3)ゲートウェイアドレス が必要となる。しかし、この情報は初心者には設定が難しいし、IPアドレスが他の利用者と重複させないためには、きちんとした管理が必要となる。
この時に使われるのが DHCP(Dynamic Host Configuration Protocol) であり、通常のパソコンは、IPの自動設定としておけば、DHCP を用いて前述の(1),(2),(3) の情報が自動で設定される。DHCP機能は、一般的にルータや WiFi の AP(アクセスポイント)の中に組み込まれている。
DHCPサーバには、使用可能なIPアドレスを登録しておく。利用者が DHCP クライアントとして接続する際には、ブロードキャストパケットを使い、同じサブネット内に DHCP リクエストを送る。このリクエストを DHCPサーバが受信したら、サーバはクライアントに向かって、貸し出し用の IP アドレスの１つをクライアントに提供する(サブネットマスクやゲートウェイなども提供)。
データ通信ではノイズなどの影響で通信に失敗することがある。これらを補うためのTCPがある。またTCPの通信の欠点を補うUDPがある。この授業では、TCPとUDPによるトランスポート層の説明を行う。
TCP
TCP(Transmission Control Protocol/トランスミッションコントロールプロトコル)では、分割されたパケットを元の順序に組み上げたり、パケットが途中で消えた場合の再送などの処理を行う。この機能により確実に相手に送る機能が実現されている。
3way ハンドシェーク
TCPの通信では、最初に相互に通信が可能かを確認するハンドシェークが行われる。パケットには、SYN,ACK,FINといった種別を表すフラグがついており、SYNは接続確立の要求を表す。ACKは了解を表す。FINは切断要求を表す。通信開始の時には、(1)通信OK?、(2)OKだよ,そっちもOK?、(3)OKだよ! といった3つの通信パケットで確認してから通信を行う。この最初のやり取りを3way ハンドシェークという。
- SYN flood攻撃 – 3wayハンドシェークは、この後に送られてくるパケットを並び替えるためのメモリを準備などが必要となる。このため通信ルールを無視して相手にSYNパケットだけを大量に送ると相手はムダな準備作業により他の通信が困難になる場合がある。
SEQ番号,ACK番号
通信パケットには、SEQ番号(シーケンス番号/32bit)とACK番号(アクノリッジ番号/32bit)という情報がついており、送信元はACK番号を確認することで、どのパケットが正しく届いたのかを認識できる。3wayハンドシェーク時には、相手のSEQ番号に1を加えたACK番号をつけてパケットを返送することで通信が始められることが確認できる。実際のデータを送信する際には、受け取ったデータ長をSEQ番号に加えた値を、ACK番号にして受信に成功したことを相手に伝える。これにより、小分けにされたパケットで次に何を送れば良いのか判別できる。
(Acknowledge = 承認する)
通信で、パケット分割して送って、その一つ毎の返答を待つと、通信の待ち時間が増えてしまう。このため、相手が受け取り可能であれば、一度に前回の2倍のパケットを返信を待たずに送る。(ウィンドウサイズの拡大)
チェックサムとタイムアウト
通信では、送る途中でデータにノイズが混入したり、パケットが消失することがある。このため、パケットにはパケットのチェックサム(バイトデータを加算した値)を付けて送り、受信時に比較してノイズ混入でデータが壊れていないかを確認する。こういった際には、パケットが正しく届かない。パケットが消失したりして、通信相手からの返送が届かないで一定の待ち時間が経過することをタイムアウトと呼ぶ。この時、返信パケットにはデータのSEQ番号とACK番号の情報があるため、受け取りに失敗したパケットが判別できるので、送り側は失敗したパケットを再送する。
受け取り側は、同じくSEQ番号やACK番号を元にパケットの順番を正しく並べ戻すことができる。
TCP FINパケット
通信を切断する場合には、相互に切断して良いか確認する4回の通信で終了する。
UDP
TCPによる通信は、相手側からの受け取った返事を待ちながら通信を行う。このため、通信にかかる時間を要する。また、複数の利用者に一斉にデータをばらまくブロードキャスト通信では、個別のパケット欠落を修復しようとすると、処理が複雑になる。
これらの対応策として、UDP(User Datagram Protocol)がある。これは、TCP通信でのパケット分割や再送処理を行わない極めて単純な送信方法である。このため、相手側に正しくデータが送られる保証はない。確実に相手に送る必要があれば、確認や再送は上位プロトコルの責任となる。
UDP通信は返信を待つ必要がないので、動画・音声配信などのリアルタイム性が求められる通信でよく使われる。UDPは正しく通信ができずパケットが途絶えても、一時的に動画が止まるなり音声が止まるといったように、問題が少ないような場合に有用となる。
ICMP/ping
IPプロトコルのプロトコルの１つとして ICMP (Internet Control Message Protocol) がある。このプロトコルは、ネットワーク機器(ノード)の間で、通信の確認をするためのもので、ping コマンドや traceroute コマンドで使われる。
基本的に、ICMPパケットを相手コンピュータに送り、返事が返ってくるかを確認する。ping や traceroute は、返事が返ってくるまでの時間や、パケットをいくつ送っていくつ返ってきた…などの情報を表示することができ、相手コンピュータまでの通信路が正常かどうかが判断できる。
$ ping www.google.co.jp PING www.google.co.jp (172.217.25.163) 56(84) バイトのデータ 64 バイト応答 送信元 syd09s13-in-f3.1e100.net (172.217.25.163): icmp_seq=1 ttl=115 時間=7.85ミリ秒 64 バイト応答 送信元 syd09s13-in-f3.1e100.net (172.217.25.163): icmp_seq=2 ttl=115 時間=8.02ミリ秒 ^C # 途中で強制終了させるために Ctrl-C で止める ]$ traceroute www.google.co.jp traceroute to www.google.co.jp (172.217.25.163), 30 hops max, 60 byte packets 1 airstation.ei.fukui-nct.ac.jp (192.168.2.1) 0.355 ms 0.529 ms 0.549 ms (略) 9 108.170.243.33 (108.170.243.33) 8.245 ms 108.170.243.65 (108.170.243.65) 6.893 ms 6.936 ms 10 72.14.239.25 (72.14.239.25) 6.899 ms 7.125 ms 72.14.238.23 (72.14.238.23) 7.140 ms 11 syd09s13-in-f163.1e100.net (172.217.25.163) 7.014 ms 7.007 ms 6.961 ms
トランスポート層
OSI参照モデルでは、TCPプロトコルとUDPプロトコルをあわせてトランスポート層と呼び、TCP+UDPとネットワーク層のIPプロトコルでの通信が、今日のインターネット通信の基本プロトコルとなっており、総称して TCP/IPとかインターネット・プロトコル・スイート と呼ぶ。(suite=”一連のものや一緒に機能するものの集まり”/sweetじゃない)
ネットワーク層とIPアドレス
ネットワーク層とIPアドレス(IPv4)
(前回の復習)
サブネットに分割し、隣接するサブネット、さらには上流のインターネットと通信をするためには、IPアドレスを用いた通信が行われる。
ネットワークに接続する機器には、それぞれユニークな32bitの番号(IPv4アドレス)を割り振る。
コンピュータへのIPアドレスの設定には、(a)IPアドレス,(b)サブネットマスク,(c)ゲートウェイの情報が必要となる。
- IPアドレス: 192.156.145.100 といった、0～255の8bitの値をピリオド区切りで4つ並べて表記するのが一般的。
- サブネットマスク: 255.255.255.0 といった値で、IPアドレスを2進数で書き並べた32bitと、サブネットマスクの32bitで、2進数の論理積をとった値は、ネットワーク番号と呼ばれ、機器が存在する場所を表す。
また、IPアドレスとサブネットマスクの否定と論理積をとった値は、ホスト番号と呼ばれる。
サブネットマスクは、先行する1のbit数で書き表すことも多い。255.255.255.0は、”/24″のように書く。 - ゲートウェイ: 自分自身のネットワーク番号と通信相手のネットワーク番号が異なる場合は、異なるサブネットにいるので、パケットを中継してもらう機器(ルータ,ゲートウェイ)にパケットを送る。
- IPアドレスとクラス: IPアドレスは、先頭8bit をネットワーク番号とするクラスA,16bitのクラスB,24bitのクラスCに分類されている。以前は、IPアドレスを割り当てる企業規模に応じて、大規模な大学だからクラスA、中規模ならクラスB(福井大学は133.7.0.0/16 ←このような書き方はCIDR記法という)、小規模ならクラスCを割り当てていた。(福井高専はCクラスを5本192.156.145～149.0/24 : 福井高専のIPアドレスでは3つのCIDR記法で表現できる。 192.156.145.0/24, 192.156.146.0/23, 192.156.148.0/23)
しかし、最近では IPv4 アドレスの不足から、大きな組織に割り振られた クラスA を再分配しているため、先頭が0～126で始まるアドレスでも大きなネットワーク組織とは限らない。
ユニキャスト、マルチキャスト、ブロードキャスト通信
通信では、機器が1対1でデータを送る(ユニキャスト通信)だけでなく、複数の機器に同時にデータを送りたいこともある。
同じサブネット内の全てにデータを送る時には、ブロードキャスト通信が用いられる。この際には、IPアドレスのサブネットにおけるホスト番号部分が全て1のアドレスを使う。Cクラスの 192.168.11.x/24 のネットワークであれば、192.168.11.255 がブロードキャスト通信用のアドレスとなる。一般的にホスト番号部分が全て0のアドレスは、サブネット全体を表すために使われることから、192.168.11.0 のIPアドレスも通常の通信には使えない。このため、Cクラス(サブネットマスク24bit)であれば、256台-2台(全て0と全て1のホスト番号)を引いた254台の機器が設置できる。(実際には、他のネットワークに接続するためのゲートウェイアドレスも必要なので 253台)
動画などの配信では、ユニキャスト通信が使われると、サーバから通信相手までのルータまでに同じデータが送られてくる。こういった方式では大量の視聴者がいる場合、ネットワークの帯域が埋まってしまい、効率の良い配信ができない。同じデータを同じタイミングで複数の機器に配信したい場合はマルチキャスト通信を使う。IPv4では 224.0.0.0/4 を使う。
ARP(IPアドレスとMACアドレスの橋渡し)
同じサブネットの中では、データリンク層でMACアドレスを用いて通信相手を指定するが、ネットワーク層ではIPアドレスを用いて通信相手を指定する。この違いを埋めるためのプロトコルがARPである。
サブネット内に相手先IPアドレスの指定されたパケット(10.10.22.102)が届くと、通信機器はサブネット内の全ての機器相手に ARPリクエストを送信する。(10.10.22.102はいますか？ブロードキャスト通信を使う)
この時、10.10.22.102 のコンピュータは、自分宛てのパケットがあることを知るので、送信元のコンピュータに、自分のMACアドレスを付けたARPリプライを送り返す。(10.10.22.102は、私 “FE:DC:BA:98:76:54” です!)。送信元は、ARP通信をへらすために、その情報を記憶して、2度目以降は覚えたMACアドレスですぐに通信を始める。
ルータとRIP
ルータは、隣接するサブネットの間に入る機器で、各サブネットにゲートウェイとなるインタフェースを持つ。ルータの内部では受け取ったパケットをどこに流すか…という経路情報が重要となる。
- 静的ルーティング – 末端のルータの設定で、管理者が経路を設定
- 動的ルーティング – 上流ルータでRIPにより設定
経路設定には2種類あり、(a)末端のルータではこのネットワーク番号はどのルータに送るという情報をルータに直接設定する静的ルーティングがとられる。(b)上流のルータでは、末端のルータの設定が変更されることがあるので、ルータ同士がルーティング情報を送りあう動的ルーティングがとられる。動的ルーティングでは、RIPというプロトコルにより、各サブネットのつながっている経路情報が送られてくる。この経路情報を見て、パケットのIPアドレスを見て、パケットの送り先を判断する。(ネットワークの上流では、複数のネットワーク経路を操る BGP などが使われる)
((Windows の場合))
C:> ipconfig
インタフェース名:
IPv4アドレス............192.168.xx.xx
サブネットマスク.........255.255.255.0
デフォルトゲートウェイ....192.168.xx.1
C:> arp -a
インタフェース:
192.168.xx.xx 74-03-xx-xx-xx-xx 動的
192.168.xx.yy B0-05-xx-xx-xx-xx 動的
C:> netstat -r
ネットワーク宛先 ネットマスク ゲートウェイ インタフェース メトリック
0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.xx.1 192.168.xx.xx 45
192.168.xx.0 255.255.255.0 ....
((Unix の場合))
$ ifconfig -a # もしくは ip addr
en1: ....
inet 192.168.xx.xx netmask 0xffffff00 ...
$ arp -an # もしくは ip neigh
.... (192.168.xx.xx) at 74:03:xx:xx:xx:xx ...
.... (192.168.xx.yy) at b0:05:xx:xx:xx:xx ...
$ netstat -rn # もしくは ip route
Destination Gateway ...
default 192.168.xx.1 ...
192.168.xx ...
プライベートアドレス
IPv4 では、32bit でコンピュータを識別することから、最大でも 232台≒40億台(4×103×3台)しか識別できない。実際、IPアドレスの管理団体では、2017年度には IPv4 アドレスは使い切った状態となっている。この対応として、その組織やその家庭内だけで使われる IPアドレス である、プライベートアドレスが用いられる。
- 10.0.0.0～10.255.255.255 / 8 – 大きな機関向け
- 172.16.0.0～172.31.255.255 / 12
- 192.168.0.0～192.168.255.255 /16 – 個人向け
プライベートアドレスを利用する組織では、インターネットに接続するルータでは NAT(もしくはNAPT) という機能を内蔵し、プライベートアドレスとグローバルアドレスの変換を行う。
ローカルループバックアドレス
ネットワーク通信では、1つのコンピュータの中でもプロセスとプロセスの間でデータ通信を行うことも多い。この時に使われるIPアドレスは、ローカルループバックアドレスと呼ばれ、IPv4では 127.0.0.1 のIPアドレスを使う。このアドレスには localhost というドメイン名が割り振られる。
IPv6アドレス
IPv4の32bit の IP アドレスでは、40億台のコンピュータを区別することしかできない。そこで、最近では 128bit の IPv6 アドレスが用いられる(256×102412台≒340×1036台)。 IPv6 では、2004:6800:4004:0826:0000:0000:0000:2003 (www.google.co.jp) といった16進数4桁(16bit)を8個を”:”区切りで書き連ねる書き方をする。ただし16進4桁の先行する0や、全部”0000″ は省略して、”2404:6800:4004:826::2003″ と書く。IPv6 は最近では普及がかなり進んでいるが、途中のルータなどがすべて IPv6 に対応する必要があり IPv4 しか使えない組織も多い。
IPv6でも、同じサブネット内だけで使えるIPv6リンクローカルアドレス(fe80::/10)や、同じ組織内だけで使えるIPv6サイトローカルアドレス(fec0::/10)、ループバックアドレス(::1)などが規定されている。
DNS と nslookup
IPアドレスみたいな数字の羅列は覚えることが難しい。このためコンピュータの名前からIPアドレスを調べるサービスがあり、Domain Name Service(DNS) と呼ばれる。詳しい仕組みは ドメイン名の説明の際に行うが、IP アドレスの調べ方を説明する。
ドメイン名から、IP アドレスを調べるには、nslookup (もしくは dig) を使用する。
$ nslookup www.fukui-nct.ac.jp : Non-authoritative answer: Name: www.fukui-nct.ac.jp Address: 104.215.53.205 $ nslookup -query=A www.fukui-nct.ac.jp # IPv4 アドレスの取得 (同上) # もしくは dig www.fukui-nct.ac.jp A +short $ nslookup -query=AAAA www.google.co.jp # IPv6 アドレスの取得 : # もしくは dig www.google.co.jp AAAA +short Non-authoritative answer: Name: www.google.co.jp Address: 2404:6800:4004:826::2003
理解確認
- Formsによる理解度確認問題
- 192.168.11.2/24 のコンピュータから、192.168.1.50にデータを送る場合、どのような処理が行われるか、IPアドレス、サブネットマスク、ゲートウェイ、ネットワーク番号を使って説明せよ。
- 同じサブネット内で相手のIPアドレスが与えられた時、どのようにパケットが送られるか、MACアドレスとARPを交えて説明せよ。
WiFi接続、ネットワーク層
無線LANと暗号化
無線LAN(通称 WiFi)は、IEEE 802.11 にて規格が定められている。無線LANは、使う通信周波数で、2.4GHz帯を使うものと、最近増えてきた5GHz帯のものに分けられる。
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- IEEE802.11a 5GHz帯を使う、最大54Mbps
- IEEE802.11b 2.4GHz帯を使う、最大11Mbps
- IEEE802.11g 2.4GHz帯を使う、最大54Mbps
- IEEE802.11n 2.4GHz/5GHzを使う、最大600Mbps
- IEEE802.11ac 5GHz帯を使う、最大6.9GBps – 11a/g/n/ac を組み合わせで現時点の主流
- IEEE802.11ad 60GHz 最大6.8Gbps
- IEEE802.11ax 2.4GHz/5GHz 最大 9.6Gbps (通称 WiFi 6)
- IEEE802.11be 2.5GHz/5GHz/6GHz 最大 46Gbps (WiFi 7)
2.4GHz帯は、電子レンジで使う電波の周波数と重なるため、電波干渉を受けやすい。また、2.4GHzは様々な家電製品・電子機器で利用されているため、他の機器との干渉を受けやすく速度低下を起しやすいが、遠くまで電波が届きやすい。 5GHzは、この周波数帯を利用している機器が少ない為、干渉を受けにくく安定して通信できるが、あまり遠くには電波が届かず、通信が極端に不安定になる場合がある。
無線LANに接続する場合には、接続先(アクセスポイント)に付けられた名前(SSID)と、SSIDに割り振られたパスワードが必要となる。ただし無線は、電波で信号を飛ばすため、近くに行くだけで通信を傍受できる。このため、データの暗号化が必須となる。この暗号化は、そのアルゴリズムにより解読の困難さが変わる。
- WEP 64bit / 128bit – すでに古い暗号化で専用ソフトを使うとすぐに解読される可能性が高い。使うべきではない。
- WPA/WPA2 –
現時点の主流?- 暗号化方式 TKIP や 暗号化アルゴリズム AES
- WPA3 – そろそろこちらが主流かな…
- 192bit暗号化, 辞書攻撃に強い SAE を使用
無線LANでは、車でセキュリティの甘いアクセスポイント(暗号化無しやWEPを使うAP)を探し、その無線LANを使ってクラッキングなどをおこなう場合も多い。(ウォードライビング)
勝手に無線LANを使われないようにするために一般的には、(1)アクセスポイントに接続できる機器をMACアドレス(機器に割り当てられた48bitの固有値)で制限したり、(2)SSIDのステルス化(APが出す電波にSSIDを入れない方式)を行う場合も多い。ただし、これらの制限をかけても専用の機器を使えば通信は傍受可能。
移動通信システム
WiFiは屋内にアクセスポイントを設置し十数メートル範囲の通信を行うが、屋外の基地局と端末の間での数百メートルから数キロといった距離の通信を行う場合には「移動通信システム」が用いられる。
- 第1世代移動通信システム – アナログ方式 1980年代
- 第2世代移動通信システム – デジタル方式 1990年代 (GSM,CDMA,PDC)
- 第3世代移動通信システム – モバイルインターネットの時代 2000年代 (数Mbps) W-CDMA, CDMA2000
- 2024年現在 Docomo のみサービスを提供しているが、FOMA/iモードは2026/3/31に終了予定
- 第4世代移動通信システム – 高速大容量 2010年代 (数十Mbps-数百Mbps) LTE
- 現時点では山間部は4G、主要市町では5Gが利用可能 (参考:auのカバーマップ)
- 第5世代移動通信システム – 超高速大容量 2020年代 (最大20Gbps) 通称 5G
- ローカル5G – 通信事業者ではなく、企業や自治体などが自社の敷地や特定のエリア内に構築する専用の5Gネットワーク(国指定の無線局免許取得が必要)
移動体通信での 5G の話をすると、無線LANの話から、5G = 5GHz と勘違いするかもしれないが、5G = 第5世代移動通信システム(5th Generation) なので注意。
ネットワーク層
前回説明したMACアドレスによるデータリンク層では、１つのサブネットの中で指定した相手にデータを送ることはできる。しかし、データリンク層だけでは、他のサブネットにいる相手にデータを送ることができない。(相手の名前を知っていても、住所を知らなければ郵便は送れない。)
ネットワーク層とIPアドレス(IPv4)
サブネットに分割し、隣接するサブネット、さらには上流のインターネットと通信をするためには、IPアドレスを用いた通信が行われる。
ネットワークに接続する機器には、それぞれユニークな32bitの番号(IPv4アドレス)を割り振る。
コンピュータへのIPアドレスの設定には、(a)IPアドレス,(b)サブネットマスク,(c)ゲートウェイの情報が必要となる。
- IPアドレス: 192.156.145.100 といった、0～255の8bitの値をピリオド区切りで4つ並べて表記するのが一般的。
- サブネットマスク: 255.255.255.0 といった値で、IPアドレスを2進数で書き並べた32bitと、サブネットマスクの32bitで、2進数の論理積をとった値は、ネットワーク番号と呼ばれ、機器が存在する場所を表す。
また、IPアドレスとサブネットマスクの否定と論理積をとった値は、ホスト番号と呼ばれる。
サブネットマスクは、先行する1のbit数で書き表すことも多い。255.255.255.0は、”/24″のように書く。 - ゲートウェイ: 自分自身のネットワーク番号と通信相手のネットワーク番号が異なる場合は、異なるサブネットにいるので、パケットを中継してもらう機器(ルータ,ゲートウェイ)にパケットを送る。
- IPアドレスとクラス: IPアドレスは、先頭8bit をネットワーク番号とするクラスA,16bitのクラスB,24bitのクラスCに分類されている。以前は、IPアドレスを割り当てる企業規模に応じて、大規模な大学だからクラスA、中規模ならクラスB(福井大学は133.7.0.0/16 ←このような書き方はCIDR記法という)、小規模ならクラスCを割り当てていた。(福井高専はCクラスを5本192.156.145～149.0/24 : 福井高専のIPアドレスでは3つのCIDR記法で表現できる。 192.156.145.0/24, 192.156.146.0/23, 192.156.148.0/23)
しかし、最近では IPv4 アドレスの不足から、大きな組織に割り振られた クラスA を再分配しているため、先頭が0～126で始まるアドレスでも大きなネットワーク組織とは限らない。
EthernetとCSMA/CD方式
CSMA/CD方式
10BASE/5,2のような Ethernet では、1本の線を共有するバス型であり、複数の機器が同時に信号を出力すると、電圧の高低がおかしい状態となる(衝突,コリジョン)ため、同時に信号を出さない工夫が必要となる。ただし、他の人が信号線を使っていないことを確認してから、信号を出せばいいけど、確認から信号を出すまでの遅延により、衝突を避けるのは難しい。
また、1本の線を共有する機器の数が増えてくると、衝突の発生の可能性が高まってくる。
これらの問題を解決するためのルールが CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)方式である。
- 機器は、信号を出す場合、信号線が空いている状態を待ち、出力を行う。
- もし、複数の機器が同時に信号を出した場合、電圧異常を検知したら衝突なので再送を試みる。
- 再送を行う場合には、乱数時間待つ。(機器が多い場合は、これでも衝突が起こるかもしれない)
- 乱数時間待っても信号線が空かない場合は、乱数時間の単位時間を倍にする。
どちらにしろ、バス共有する機器の台数が増えてくると、衝突の可能性は高まり、100台を越えるような状態は通信効率も悪くなる。
ただし、最近はスイッチングHUBで通信制御を行うことが一般的になり、CSMA/CD方式ではなくフロー制御が行われる。フロー制御では、通信相手に一時的にデータを送らないように要求を出すことでパケット送受信を制御する方式。HUBのフロー制御では、基本的に衝突は起らないが、複数のネットワークケーブルから同時にHUBにデータが送られてくると、処理ができない場合がある。この際には CSMA/CD 方式での JAM 信号を使うことで衝突が発生しているように扱う。
スイッチングHUB
＊BASE-T のような、HUB による接続では、複数の機器が異なる機器どうしで通信をする場合、その通信路を時分割多重するのではなく、通信相手に応じて内部回路を直接つながるように接続するスイッチングHUB(以下SW-HUB)が普及している。
ストア＆フォワード方式では、フレーム(パケット)を全部読み込んで、宛先情報を確認してからパケットを送り出す方式。しかし、パケットを全部読み込んだ後の転送による遅延が問題となる。カットスルー方式は、フレーム先頭にあるMACアドレス(6byte)を読み込んで宛先が分かったらすぐにフレームを流す方式で遅延が少ない。しかしフレームにエラーが発生していてもそのままフレームを流してしまう欠点がある。この両者の利点を合わせた方式であるフラグメントフリー方式では、衝突を検出するために必要なフレームの先頭64byteを読み込んだ時点でフレームを流す方式。
バス型通信では、1本の線を共有するため、同じネットワーク内の別機器間の通信は、傍受することができる(タッピング)。しかし、SW-HUB の場合、機器同士が直接つながるので、傍受するのが困難であり、セキュリティ的にも望ましい。
SW-HUBでは、ネットワークケーブルがループ状になると、データ転送が無限に繰り返されるようになる(ブロードキャストストーム)ため、ネットワーク全体がダウンする。ブロードキャストフレームとは、新しくネットワークに入った機器が自分のMACアドレスを周囲の機器に伝えるためのパケット。ループが発生するとブロードキャストフレームが無限に繰り返し流れてしまう。
データリンク層とMACアドレス
前述のように、1つのバス型接続のネットワーク内部には、同時に設置できる機器の数には限界がある。このため、小さなネットワークに分割したもの(サブネット)を、ブリッジやルータで接続し、隣接するサブネットにサブネット内の通信情報が出ないように分割することを行う。
Ethernetに接続する機器は、機器ごとにユニークな番号(MACアドレス)を持っている。このMACアドレスは、8bit✕6個の48bitの値で、メーカー毎に割振られた範囲の値を、機器ごとに異なる値がついている。
Windows であれば、コマンドプロンプト(cmd.exe)を開き、ipconfig /allを実行するとMACアドレスを確認できる。
しかし、公衆WiFiサービスを提供する企業が、個人のネットワーク機器のMACアドレス情報を使ってユーザに合わせた広告を出すなどの使い方を始めている。しかしこれが悪用されると、企業が個人の居場所を特定できるなどの問題が出てきた。このため最近はこういった問題を防ぐためにプライベートMACアドレス/ローカルアドレスが使われるようになっており、機器ごとに異なるプライベートMACアドレスを設定したり、接続する度にデタラメなプライベートMACアドレスを設定する方法がある。
通信は、一般的に1500byte程のパケットを単位として送受信が行われる。サブネット内の通信では、自分宛のパケットかどうかをMACアドレスを見て受け取る。これらのレイヤーは、データリンク層と呼ばれる。
旧式のHUB(Dumb HUB)は、電気的に信号を増幅するだけなので、物理層(レイヤー1)だけで通信を行う。
スイッチングHUBは、MACアドレスを見て通信相手を判断(データリンク層/レイヤー2)する。このため SW-HUB の内部には「土のポートの先にどんな MAC アドレスの機器が接続されているのか」を保存するアドレステーブルを持っている。最近の家庭用の SW-HUB であれば 2000 個ぐらいの情報を覚えることができる。また最近では、SW-HUBのコネクタ毎に、パケットにタグを付加することで、1本のネットワーク経路に仮想的な複数のネットワークを構築するタグV-LANといった方式を使う場合もある。このような機能を持つSW-HUBは特にレイヤ2スイッチとも呼ばれる。
L2スイッチとL3スイッチ
サブネットに分割し、それぞれに異なるネットワーク番号を割り振り、中継するルータで FireWall を機能させることで、セキュリティを高めることが行われる。しかし、性能の高いスイッチングHUBは高価でもあり、1つのHUBに異なるネットワークを接続する必要がでてくることもある。この場合、IPアドレスを異なるネットワークの番号を偽装されると、データが盗み見られるかもしれない。
こういった相互に分離すべきネットワークであっても、柔軟なネットワーク構成とするためには、VLAN機能を持った L2スイッチ(レイヤ2スイッチングHUB) が使われる。タグVLAN機能付きのL2スイッチでは、特定のポートにVLANのタグ番号を割り当て、ポートに入る時にパケットに VLAN のタグ情報を付加し、そのパケットは同じ VLAN のタグをもつポートからしかデータを取り出せない。
L2スイッチ(レイヤ2スイッチ)は、機器のMACアドレスやパケットに付けられたVLANのタグ番号の情報(レイヤ2=データリンク層)でパケットの流れを制御している(下記OSI参照モデルの表を参照)。最近では、許可されていない機器がネットワークに侵入する不正侵入を防ぐために、登録されていないMACアドレスのパケットを通さないといった機能がある。
OSI参照モデルとレイヤ 第7層 アプリケーション層 アプリケーションの種類の規定 第6層 プレゼンテーション層 データフォーマットの交換 第5層 セッション層 コネクションの確立や切断などの管理 第4層 トランスポート層 パケットの分割合成や再送といった管理(TCP) 第3層 ネットワーク層 隣接するネットワーク間の通信(IPアドレス) 第2層 データリンク層 直接接続された機器間の通信(MACアドレス) 第1層 物理層 物理的な接続方法(コネクタや電圧など)
スイッチングHUBの中には、レイヤ3(IPアドレス)の情報でパケットの流れを制御するものもある。こういったスイッチは、L3スイッチ(レイヤ3スイッチ)と呼ばれるが、機能的にはルータと同じである。
一般的には、LANとWANを接続するための機器はルータ、LAN内部のネットワークを分離するためのものはL3スイッチと呼ぶ。
無線LANと暗号化
無線LAN(通称 WiFi)は、IEEE 802.11 にて規格が定められている。無線LANは、使う通信周波数で、2.4GHz帯を使うものと、最近増えてきた5GHz帯のものに分けられる。
- IEEE802.11a 5GHz帯を使う、最大54Mbps
- IEEE802.11b 2.4GHz帯を使う、最大11Mbps
- IEEE802.11g 2.4GHz帯を使う、最大54Mbps
- IEEE802.11n 2.4GHz/5GHzを使う、最大600Mbps
- IEEE802.11ac 5GHz帯を使う、最大6.9GBps
- IEEE802.11ad 60GHz 最大6.8Gbps
- IEEE802.11ax 2.4GHz/5GHz 最大 9.6Gbps
2.4GHz帯は、電子レンジで使う電波の周波数と重なるため、電波干渉を受けやすい。5GHz帯は、障害物の影響を受けやすい。
2.4GHzは様々な家電製品・電子機器で利用されているため、他の機器との干渉を受けやすく速度低下を起しやすいが、遠くまで電波が届きやすい。 5GHzは、この周波数帯を利用している機器が少ない為、干渉を受けにくく安定して通信できるが、あまり遠くには電波が届かず、通信が極端に不安定になる場合がある。
無線LANに接続する場合には、接続先(アクセスポイント)に付けられた名前(SSID)と、SSIDに割り振られたパスワードが必要となる。ただし無線は、電波で信号を飛ばすため、近くに行くだけで通信を傍受できる。このため、データの暗号化が必須となる。この暗号化は、そのアルゴリズムにより解読の困難さが変わる。
- WEP 64bit / 128bit – すでに古い暗号化で専用ソフトを使うとすぐに解読される可能性が高い。使うべきではない。
- WPA/WPA2 – 現時点の主流。
- 暗号化方式 TKIP や 暗号化アルゴリズム AES
無線LANでは、車でセキュリティの甘いアクセスポイント(暗号化無しやWEPを使うAP)を探し、その無線LANを使ってクラッキングなどをおこなう場合も多い。(ウォードライビング)
勝手に無線LANを使われないようにするために一般的には、(1)アクセスポイントに接続できる機器をMACアドレス(機器に割り当てられた48bitの固有値)で制限したり、(2)SSIDのステルス化(APが出す電波にSSIDを入れない方式)を行う場合も多い。ただし、これらの制限をかけても専用の機器を使えば通信は傍受可能。
携帯電話を使っていると、最近では高速大容量通信、多数同時接続、低遅延を特徴とする 5G 回線という言葉が出てくる。ここまでの話から、5G = 5GHz と勘違いするかもしれない。また、5G = 5G bps といった勘違いもあるかもしれないけど、5G = 第5世代移動通信システム(5th Generation) なので注意。